光纖耦合與特性測試實驗介紹
 

　　一、實驗目的
 

　　光纖耦合與特性測試實驗旨在實現光源與光纖高效連接，并精準測量光纖傳輸特性，為光通信、光纖傳感等領域研究及應用提供基礎數據。通過實驗，可掌握光纖耦合技術，熟悉光纖特性測試方法，理解影響光纖性能因素，助力相關技術優化。
 

　　二、實驗原理
 

　　(一)光纖耦合原理
 

　　1.模場匹配：單模光纖僅傳輸基模 LP01，光從光纖出射場分布近似高斯分布。當入射高斯激光束在光纖入口場分布與光纖模場匹配最佳時，耦合效果最優。為達此效果，激光束耦合器需產生衍射極限光斑與光纖模場匹配，匹配內容包括模場大小、軸向位置、橫向位置、角度方向等。例如，對于直徑為 ? 的激光束，理想透鏡焦距應為\(f = ??/(2 NAe??)\) (\(NAe??\)為有效光纖數值孔徑)，實際需選接近此理想值的衍射極限透鏡。
 

　　2.偏振匹配(針對保偏光纖)：標準單模光纖無法保持傳輸激光偏振態，保偏單模光纖(PM 光纖)若光束偏振方向與光纖兩主軸之一對齊，就能保持線偏振態。因保偏光纖內置應力元件具旋轉非對稱性，光在 “快” 軸或 “慢” 軸傳輸，精確耦合進軸的線偏振光偏振態可保持。
 

　　(二)光纖特性測試原理
 

　　1.損耗測試原理
 

　　剪斷法：測量長光纖輸出光功率\(P1\)，剪斷部分光纖后再測剩余光纖輸出光功率\(P2\)，根據公式\(?± = 10lg(P1/P2)/L\)(\(L\)為剪斷光纖長度)計算損耗，此為基準測試法，結果準確但有損光纖。
 

　　背向散射法(OTDR)：向光纖發射光脈沖，測量背向散射光強度和時間，分析散射光信號了解光纖損耗、故障位置等信息。光脈沖在光纖中傳輸，遇雜質、缺陷等產生背向散射，散射光返回探測器，根據時間差和光速計算位置，強度反映損耗。
 

　　2.色散測試原理
 

　　相移法：通過測量不同頻率正弦調制光信號在光纖中傳輸相移，計算群時延差，進而得到色散值。不同頻率光在光纖中傳輸速度不同，產生群時延差，相移與群時延差相關。
 

　　脈沖時延法：發射窄光脈沖，測量其在光纖中傳輸時延，計算群時延差和色散。窄脈沖經光纖傳輸展寬，測量輸入輸出脈沖時延差，結合光纖長度計算色散。
 

　　三、實驗器材
 

　　1.光源：單模或多模激光光源，如波長 1550nm 的單模 DFB 激光器，用于產生穩定光信號，作為光信號輸入源。
 

　　2.光纖：多種類型光纖，如標準單模光纖(SMF)、多模光纖(MMF)、保偏光纖(PMF)，滿足不同實驗需求。
 

　　3.光功率計：用于測量光信號功率，精度達 nW 級別，以獲取光纖傳輸前后光功率數據計算損耗。
 

　　4.光時域反射儀(OTDR)：可進行光纖損耗、故障定位測量，能顯示光纖損耗分布曲線和故障點位置。
 

　　5.光譜分析儀：分析光信號光譜特性，測量范圍覆蓋可見光到近紅外波段，分辨率達 pm 級。
 

　　6.光纖耦合器：將光源與光纖連接，有自由空間耦合器、光纖準直器等，實現高效耦合。
 

　　7.光學平臺及調整架：提供穩定光學實驗環境，調整架用于精確調整光學元件位置和角度。
 

　　四、實驗步驟
 

　　(一)光纖耦合步驟
 

　　1.安裝與對準：將光源、光纖耦合器安裝在光學平臺調整架上，調整高度使光軸共軸。通過顯微鏡觀察，粗調光源與耦合器位置，使光束大致對準耦合器輸入口。
 

　　2.模場匹配調整
 

　　軸向位置調整：調節耦合器聚焦裝置，改變光學元件與光纖入口距離，通過光功率計監測輸出光功率，達最大時軸向位置最佳。
 

　　橫向位置調整：利用調整架微調旋鈕，橫向移動光源或耦合器，使輸出光功率最大，完成橫向位置匹配。
 

　　角度方向調整：傾斜調節耦合器，使光學元件軸與光束中心對準，光功率最大時角度匹配完成。
 

　　3.保偏光纖偏振匹配(若使用)：對于保偏光纖，旋轉耦合器使光纖偏振軸與光源偏振方向一致，通過監測光功率或偏振態分析儀確定最佳旋轉角度。
 

　　4.固定與驗證：耦合調整完成后，固定各光學元件，再次測量光功率，確認耦合穩定性和效率。
 

　　(二)光纖特性測試步驟
 

　　1.損耗測試
 

　　剪斷法：用光纖切割刀制備長光纖樣品，連接光源與光纖，光功率計測輸出光功率\(P1\)；在光纖合適位置剪斷，重新連接剩余光纖，測輸出光功率\(P2\)，計算損耗。
 

　　OTDR 測試：將 OTDR 與光纖連接，設置測量參數(如測量范圍、脈沖寬度、平均次數)，啟動測量，分析 OTDR 曲線得光纖損耗和故障信息。
 

　　2.色散測試
 

　　相移法：搭建實驗裝置，用正弦信號調制光源，通過相位計測量不同頻率調制光信號在光纖傳輸前后相移，計算色散。
 

　　脈沖時延法：發射窄光脈沖，用高速探測器和示波器測量輸入輸出脈沖時延，計算色散。
 

　　3.其他特性測試(如需要)：連接光譜分析儀與光纖，分析輸出光信號光譜，得光纖光譜特性；測量不同波長光在光纖傳輸特性，分析色散隨波長變化情況。
 

　　五、實驗數據處理與分析
 

　　1.損耗數據處理：根據剪斷法或 OTDR 數據，繪制光纖損耗隨長度變化曲線，分析損耗分布均勻性，計算平均損耗。對比不同類型光纖損耗數據，總結規律。
 

　　2.色散數據處理：根據相移法或脈沖時延法數據，計算光纖色散系數，繪制色散隨波長變化曲線，分析光纖色散特性對光通信系統傳輸距離和帶寬影響。
 

　　3.耦合效率分析：計算光纖耦合前后光功率比值得耦合效率，分析影響耦合效率因素(如模場失配、偏振失配、連接損耗)，提出提高耦合效率措施。
 

　　六、實驗注意事項
 

　　1.光學元件保護：避免手指觸摸光學元件表面，防止污染和劃傷。拿取光纖時小心，避免折斷。
 

　　2.安全操作：實驗中激光可能對眼睛有害，嚴禁直視激光束，佩戴防護眼鏡。
 

　　3.測量準確性：測量前校準儀器，保證測量準確性。測量過程中保持實驗環境穩定，減少外界干擾。
 

　　4.光纖連接：光纖連接時確保端面清潔，使用匹配液減少連接損耗。